活性炭吸附技术在水处理中的应用

苏晓濛，汤昊洋，吕伟，戴立红，吴少青，端震(南京市产品质量监督检验院，江苏 南京 210019)

0 引言

活性炭是很优质的吸附剂，几乎没有任何可见的危害，所以使用上不会有过多限制。除了吸附，它还有催化特性，所以在净化方面的表现也是有不俗的效果。在进行改性后，它常被用在处理水中，即便是可溶的物质，也可以被吸附，从而提升水的洁净程度。同时还可以除臭，并将其中部分细小的生物过滤掉。鉴于其突出的功能，在水处理中的价值得到了普遍肯定[1]。

1 活性炭概述

1.1 内涵

活性炭是最早被应用的碳质材料，根据国际纯粹与应用化学联合会的定义：活性炭是炭在炭化前、炭化时、炭化后经过与气体或与化学作用以增加吸附性能的多孔炭。活性炭具有丰富孔隙结构和巨大比表面积，是一种工业废水处理中广泛使用的吸附材料。与生物质、树脂基活性炭相比，煤作为活性炭的前驱体具有原料来源广、价格低廉、含碳量高、物理性质好、易再生、抗磨损等特点，其丰富的表面官能团及孔结构可调性对废水处理具有独特的优势。我国从低煤化度的褐煤到高煤化度的无烟煤均有分布，以不同类型的煤种作为前驱体可以制备出不同孔结构的活性炭，通过改变活性炭的表面酸、碱性，在炭表面引入或去除某些官能团使活性炭具有某种特殊吸附性能。对活性炭孔径调整的目的就是将活性炭的孔隙直径与吸附质分子尺寸调整到合适比例，以获得最佳吸附效果，控制活化剂的种类及用量，可以灵活地控制活性炭的吸附特性[2]。

1.2 改性方法

1.2.1 表面氧化改性

活性炭的表面氧化改性是利用相关的氧化剂对其进行一系列有效地处理，在经过处理后，加强对杂质的处理能力。这种做法能使表层在氧化下，官能团的数量增加，从而更加亲水。基于这种性质的转变，能对一些自带极性的杂质产生更大牵引力，从而将其吸附在活性炭上。一般应用范围较广的氧化剂包括高锰酸钾、硝酸、氯酸盐、双氧水等，其中氧化作用最佳的是硝酸，它可以产生大量的酸性基团。因为别的氧化剂的作用相对较弱，一般不会直接用在改性中，而是用来改变表层的pH值。在将改性的流程全部完成后，通常可以在表面上观察到很多有规则的几何形状的结构，这可以作为判断改性是否成功的依据。如果能做好对氧化剂的配比与使用，就能得到特性有所差异的活性炭，从而适配于不同的处理。一般情况下，氧化程度可以对酸性含氧官能团的总含量造成一定程度的影响。

1.2.2 表面还原改性

活性炭的表面还原改性是利用相关的还原剂对表层的官能团进行还原改性反应。通过这种办法，可以让官能团呈一定比例的减少，进而使表面有更高的极性，形成更大的吸附力。因为极性的变大，能使对于带有相反极性的杂质产生力的作用变大。在进行这种类型的改性时，一般会用氨水这种最普及的试剂，基于对效果的考虑，也可以用氮气。通过这些还原剂，也能够达到改变性质的目的，但完成后会使官能团的数量变化，这不仅不会遏制性能的发挥，还会对一些特定种类的杂质更加有效。

1.2.3 负载金属改性

活性炭的表层负载金属改性是有效利用一系列的溶性盐中所富含的大量金属离子，通过负载的作用，施加到材料的表面。在这种状态下，再加以高温，使碳原子与之发生反应，进而形成含碳的化合物。这就会导致碳的丢失，使活性炭上面的缝隙会变大，从原理上分析，它将能有更强的吸附性。此外，离子之间也是会在化学键的极性下，产生相互的力，所以也可以吸附，进而在一定范围内进行聚合，只不过相对有限。通过对硝酸铁和硫酸铁对活性炭进行一系列的负载改性，由改性原理可知，在高温的支持下，盐会发生分解，而这些离子会立刻进行聚合，形成各种化合物。而它们会作用于活性炭，在经过一系列化学反应后，其中的缝隙变得更大，总体的表面积也会随之增大。在此期间，金属盐受高温影响被活性炭还原，孔径也有一定程度的增加。

1.3 水处理特征

首先，活性炭能被用于处理，因为它的吸附性是相当优秀的，而且对一些可以溶于水中的有机物是有效的。活性炭中间有大量且十分微小的缝隙，最小的能达到10 nm以下，所以表面积要比从外观上看起来要大很多，能达到500～1 700 m2/g，这是吸附力的来源。这种特点让它能对绝大多数污染物进行吸附，从而相对简便地将它们从水中分离出来，这是功能的来源，也可以被用在水处理中的理论依据。这能让水变得很洁净，即便不再进行其他处理，也能被二次使用。同时，活性炭的普适性很强，能应对各种状况下的水体，即便是在高温下，也能生效。而对于单一种类的污染，不论浓度有多高，或水量多大，都将有相同的效果，不会因此被缩减。现在大多数以活性炭为主体的处理设备，体积通常很小，便于运输，使用没有限制。

2 活性炭吸附技术在水处理中的应用

本章节主要分两部分对活性炭吸附技术在水处理中的应用进行了详细阐述，主要内容如下。

2.1 活性炭净化技术在生活污水处理中的具体应用

活性炭净化技术是一种常见于污水处理中的技术，通过将活性炭这种吸附剂运用到污水的处理中，从而使杂质被吸附在其表面来实现净化污水的目的。活性炭就形态来说一般分为粉状和粒状两种，前者在污水处理中有着较为悠久的历史。活性炭的原材料一般集中在垃圾废料、果壳和木材等，虽然果壳是一种最佳的活性炭原材料，但是由于存在各种因素的束缚，使得这种原材料的活性炭价格较高，不利于活性炭的普及和使用[3]。为了改变这种现状，越来越多的国家开始研究以垃圾废料来制作活性炭的方法，现阶段我国在这方面已经取得了一定的成就。

2.1.1 活性炭的运作原理

在实际的污水处理过程中，活性炭吸附杂质是一项较为复杂的过程，涉及到化学杂合力、分子作用力和离子吸引力之间的相互影响和作用，所以在活性炭的制作过程中需要根据不同的污水处理需求来制作不同标准的活性炭。活性炭之所以能够吸附水中的杂质，主要还是因为它本身就具备多孔的特征，所以它在污水处理中能够将一种或者以上的杂质吸附在其表面，从而实现净化污水的目标。水中的微生物、有机物甚至臭味都可以成为活性炭的吸附对象，所以活性炭的应用范围较为广泛。在活性炭吸附杂质的过程中，通常会包含快速扩散和慢速扩散两种形式，溶质分子通过碳分子中大孔进行扩散则属于快速扩散，可以吸附大量的杂质。而溶质分子在通过碳分子中的大孔扩散至连接大孔的细孔中时，细孔的口径较小，阻力增大，所以扩散速度开始变慢，此时便为慢速扩散。由此两种溶质分子的扩散形式可以看出，活性炭的吸附能力不仅与碳分子的表面有着关联，还与连接大孔的细孔的口径存在紧密的联系。大孔就好比汽车行驶中的高速公路，为溶质分子提供路径，所以大孔决定了溶质分子的吸附力。当然，水中的有机物呈现出各种大小分子的状态，而细孔占碳分子表面的比重呈压倒性优势，所以细孔决定着碳分子吸附量的高低。一般来说，溶质分子的吸附主要受分子作用力的影响，而不同的活性炭的孔径大小和结构分布有着很大的不同，所以每种活性炭对于溶质分子的吸附能力也有所不同。鉴于此，在生活污水的实际处理过程中，需要根据不同的污水处理需求来选择不同类型的活性炭，从而提高净化生活污水的能力。活性炭的运作原理图如图1所示。

2.1.2 生物活性炭技术在污水处理中的应用

活性炭由于其存在独特的多孔结构，所以具备较高的吸附能力和催化能力，再加上它有着生产方便、耐高温和耐酸碱的特点，在污水处理中不会造成二次污染，使得它成为当前最受欢迎的一种污水吸附剂。污水处理中，活性炭不仅可以吸附水中的苯酚、有机物和油渍，还可以吸附一些难闻的气味，对于水质的净化有着非常明显的效果。就活性炭的吸附方式来说，目前常见的有流动床、移动床、固定床和接触吸附，比如前面提到的粉状形态的活性炭就只能通过接触的方式来吸附污水中的杂质。粉状形态的活性炭在吸附的过程中，涉及到分子作用力和离子吸引力之间的相互影响和作用，过程也相对较为复杂。为了能够将活性炭净化技术水平提升至一个新的台阶，国内外对于活性炭净化技术的研究从未中断过，一种新的活性炭净化技术便出现在了大众的视野范围内，即BAC技术。BAC的中文名是生物活性炭，通过在活性炭上固定微生物，实现活性炭吸附水中有机物，微生物分解有机物的双重目标。这一技术结合了微生物分解有机物的特点，在污水的处理过程中发挥了巨大的作用，所以已经被广泛运用至实际的生活污水处理工程当中。BAC技术通过将活性炭吸附有机物、微生物分解有机物融合为一体，可以给固定在活性炭上面的微生物提供必要的营养供给，而微生物对于有机物的分解又为活性炭的再次利用提供了可能性。目前，这种新型技术已经被我国运用至日常的生活污水处理当中，已经取得了非常显著的成效。

2.1.3 活性炭联用技术在生活污水处理中的应用

现阶段，生活污水导致的水体污染现象屡见不鲜，各种类型的水体污染层出不穷。如果只靠活性炭的单一吸附功能，已经不能满足于处理生活污水的需求，也不符合时代发展的标准。为了更好地应对和处理各种复杂的水质污染，活性炭联用技术便应运而生。在这些常见的活性炭联用技术当中，最为典型的是活性炭与膜的联用、活性炭与二氧化钛的联用、活性炭与高锰酸钾的联用。

首先，在日常的生活中，虽然水污染已经得到了一定程度解决，但是对于水质污染的预防工作一直是头等大事，尤其是生活中的饮用水，更是被称作“生命之源”。为了居民能够在日常生活中喝上健康的饮用水，需要通过活性炭与膜的联用技术来实现对饮用水的深度净化处理。按膜的孔径的大小来进行划分的话，膜包含超滤膜、纳滤膜和反渗透膜三种类型，可以根据实际的需要来选择不同的膜。这种膜与活性炭的联用技术能够有效避免只用其中一个净化装备的缺陷。其次，二氧化钛是一种非常优秀的光解催化剂，在水质的防污方面有着非常好的效果。通过将其与活性炭进行联用，不仅可以提高活性炭的吸附能力，也可以加速污水处理中光解反应的进度。最后，高锰酸钾是一种去除有机物的重要材料，所以将其与活性炭联用，可以加快污水中有机物的净化速度。

2.2 煤基活性炭在焦化水处理中应用的研究进展

焦化废水是焦化企业在炼焦、煤气净化、化工产品回收生产过程中产生的具有高浓度、高污染、剧毒性的有机废水。焦化废水包含氨类化合物、苯酚类化合物、硫化物、氰化物以及难降解的萘、蒽、苯并芘、苯并蒽等多环芳香烃类物质与含氮、硫、氧等杂环芳香烃类物质，对于人体及环境危害极大。经研究，焦化废水经两级处理后(预处理+生化处理)废水中有机污染物含量较高，需要进行深度处理，而活性炭对于废水中的有机污染物具有较好的处理效果。未来煤基活性炭生产定然会朝着自动化规模化生产发展。并且我国目前还拥有大量小型煤基活性炭生产企业，大部分中小型煤基活性炭生产企业，主要生产的是活性炭中低档产品，生产技术薄弱市场竞争力不足。这些企业想要不被市场经济的发展而淘汰，那么必须要不断优化生产技术，改变经营理念，扩大生产规模。所以规模化生产也是我国未来煤基活性炭生产的主要发展方向。

3 结语

活性炭在吸附性上有很好的表现，还能被重复地使用，所以在价值的体现上十分优秀。这种材料经常被用在水处理中，并变成某个特定的环节，而且是不能被取代的。但不能忽略的是，在真正被使用前，还要对其特性做出评价，以此确保它能在处理中有预期的表现。而改性恰恰可以增强活性炭各方面特性，进而在使用中有更为突出的反馈，所以经常将其与水处理相联系。然而，我们在改性时，仍有一些不可取的做法，这要被逐步改正。